Využití elementárního nanoželeza pro stabilizaci kovů a polokovů v půdách kontaminovaných hutní činností

Lukáš Chailazov

Bachelor's thesis

Use of nano zerovalent iron for stabilization of metals and metalloids in soils contaminated by smelting activities

Abstract:

Tato bakalářská práce se zaměřuje na posouzení účinnosti elementárního nanoželeza (nZVI) pro stabilizaci kovů a polokovů v kontaminovaných půdách. Teoretická část se zabývá vlastnostmi týkajícími se elementárního nanoželeza, jeho výrobou, modifikacemi, aplikacemi pro remediaci rizikových prvků v životním prostředí a jeho vlivem na rostliny a živé organismy. V experimentu byly na lokalitu kontaminovanou hutní a těžební aktivitou aplikovány sulfidované nZVI (S-nZVI), S-nZVI v kombinaci s čistírenským kalem a železné piliny. Následně byly vzorky půdy pravidelně odebírány ze studovaných ploch v intervalech 1 týdne až 9. měsíců. Na základě extrakce deionizovanou vodou byly charakterizovány vyluhovatelné (polo)kovy. Koncentrace (polo)kovů v extraktu byla stanovena pomocí optického emisního spektrometru s indukčně vázaným plazmatem (ICP-OES) a koncentrace rozpuštěného organického uhlíku pomocí analyzátoru uhlíku (TOC-L CPH). Hodnota pH vodních extraktů byla změřena pH-metrem. Výsledky ukázaly, že SnZVI a SnZVI s přidaným čistírenským kalem byly účinné pro imobilizaci snadno rozpustného Cd a Zn v půdě především do 3. měsíce. Přidaný čistírenský kal zvýšil výskyt rozpuštěného organického uhlíku, měl vliv na pH půdy a zvýšil efektivitu imobilizace Cd a Zn. Železné piliny poskytovaly nejnižší vyluhovatelné koncentrace Cd a Zn ve 3. a 6. měsíci. Nejúčinnější imobilizace Pb byla u ošetření SnZVI a přidaným čistírenským kalem při pH nižším než 7 v 6. a 9. měsíci, ale jeho celkové rozpustné hodnoty byly velice nízké. Výsledky tohoto experimentu naznačují, že SnZVI a SnZVI a přidaným čistírenským kalem mohou být účinné pro imobilizaci Cd a Zn v půdě v kratším časovém horizontu, zatímco železné piliny mohou být možností pro imobilizaci těchto kovů i v delším časovém spektru. Byl také pozorován vliv pH půdy a organické hmoty na rozpustnost (polo)kovů, přičemž nižší pH vedlo ke zvýšení rozpustnosti Cd a Zn. Výsledky práce ukazují, že na celkovém imobilizačním efektu se nepodílí pouze komplexační kapacita přidaných činidel, ale též indukovaná změna dalších fyzikálněchemických charakteristik, jako pH či množství organické hmoty. Role mikrobiálních společenstev je v této chvíli také analyzována. Na základě obdržených dat se efektivita použitých činidel výrazně mění s narůstajícím časem po aplikaci. Dlouhodobý monitoring pokusných ploch je tak nezbytný pro spolehlivé zhodnocení efektivity testovaných materiálů v podmínkách reálného použití.

Abstract:

This bachelor thesis focuses on the assessment of the effectiveness of nano zerovalent iron (nZVI) for the stabilization of metals and metalloids in contaminated soils. The theoretical part deals with the nZVI properties, its production, modifications, application for the remediation of hazardous elements in the environment, and its effects on plants and living organisms. In the experiment, sulfidated nZVI (S-nZVI), S-nZVI in combination with sewage sludge and iron chips were applied to a site contaminated by metallurgical and mining activities. Subsequently, soil samples were collected periodically from the study areas at intervals of 1 week to 9 months after the application. Leachable metal(loids) were determined based on deionized water extraction. The concentrations of metal(loids) in the extracts were determined using an inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES), and the concentration of dissolved organic carbon using a carbon analyzer (TOC-L CPH). The pH of the aqueous extracts was measured using a pH meter. The results showed that SnZVI and SnZVI with added sewage sludge were effective for the immobilization of readily soluble Cd and Zn in the soil, mainly up to 3 months. The added sewage sludge increased the total dissolved organic carbon, affected soil pH, and increased the immobilization efficiency of Cd and Zn. Iron chips provided the lowest leachable concentrations of Cd and Zn at months 3 and 6. Pb immobilization was the most effective for the SnZVI and added sewage sludge treatments at pH less than 7 at months 6 and 9, but its total soluble values were very low. The results of the experiment suggest that SnZVI and SnZVI with added sewage sludge may be effective for immobilization of Cd and Zn in the soil in a shorter time scale, while iron chips may be an option for immobilization of these metals in a longer time scale. The effect of soil pH and organic matter on the solubility of metal(loid)s was also observed, with lower pH leading to increased solubility of Cd and Zn. The results of this work show that not only the complexation capacity of the added reagents is involved in the overall immobilization effect but also the induced change in other physicochemical characteristics, such as pH or amount of organic matter. The role of microbial communities is also being analyzed at this time. Based on the data collected, the effectiveness of the reagents used changes significantly with increasing time after application. Long-term monitoring of experimental areas is essential to provide a reliable assessment of the effectiveness of the tested materials under realistic environmental conditions.

Keywords

kadmium, olovo, zinek, imobilizace, remediace

Keywords

immobilization, remediation, cadmium, lead, zinc

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 23. 5. 2023
• Supervisor: Ing. Zuzana Vaňková, Ph.D.
• Reader: Barbora Böserle Hudcová, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Bachelor programme:
Landscape Technical and Administration Services in Environment